СИСТЕМА НАБЛЮДЕНИЯ УДАЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 1997 года по МПК G02B23/00 G01C3/04 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности, к системам оптического и оптико-телевизионного наблюдения, и может быть использовано для распознавания удаленных объектов в условиях нормальной и пониженной освещенности.

В настоящее время существует широкий спектр задач наблюдения, как число утилитарных, наблюдение и контроль охранной зоны крупных предприятий, наблюдение удаленных объектов в горных местностях, так и задач сложных, специальных наблюдений в наземных условиях, дистанционное наблюдение за опасными объектами в условиях повышенной радиации, контроль за положением низколетящих воздушных транспортных средств (легкомоторных самолетов и вертолетов), наблюдение за удаленными мелкими плавсредствами в прибрежной зоне охраняемого водного пространства и т.п.

Такие задачи требуют использования прецизионных и в то же время легко транспортируемых оптических приборов с возможностью размещения их на подвижном наземном носителе и с возможностью переноса их в труднодоступные места наблюдения.

Известны оптические приборы дневного и ночного видения с широким полем зрения, основанные на съемке с подвижного носителя (самолета, вертолета) - аэрофотоаппараты (АФА) как щелевые, так и кадровые.

При щелевом фотографировании изображение объектов получается в результате экспонирования непрерывно перемещающейся аэрофотопленки, установленной в плоскости изображения объектива. Аэрофотопленка размещается перед неподвижной экспонирующей щелью. Щелевой АФА должен быть установлен на подвижном носителе, а скорость перемещения пленки и носителя должны быть согласованы.

Использование щелевого АФА в наземных условиях для наблюдения удаленных объектов невозможно, так как аппарат должен устанавливаться на подвижном носителе.

Кадровые АФА позволяют решать задачу наблюдения удаленных объектов в широком поле зрения с неподвижного носителя. Например, кадровый АФА-42 (Кучков А.С. Аэрофотография. Основы и метрология. М: Недра, 1974, с. 271) имеет объектив с фокусным расстоянием 1000 мм, размер кадра 300х300 мм, фотографическую разрешающую способность (ФРС) 42 мм^-1 в центре поля зрения и около 20 мм^-1 на краю поля. Такие АФА имеют сравнительно низкую ФРС, позволяющую идентифицировать мелкий объект наблюдения, например, фигуру человека, только с расстояния не более 1 км в центре поля зрения и не более 0,5 км на краю поля.

Основным недостатком фотографического наблюдения является невозможность получить информацию об объекте в реальном масштабе времени.

Другой класс приборов дневного и ночного видения: зрительные трубы, телескопы, которые позволяют наблюдать мелкие объекты с достаточно высоким разрешением на необходимых расстояниях. Однако, угловое поле зрения таких приборов невелико и для увеличения угла обзора приборы снабжаются системами механического наведения на объект наблюдения. Например, выбранный в качестве прототипа астрономический телескоп (Михельсон Н.Н. Оптические телескопы. Теория и конструкция, М: Недра, 1976, с. 512) содержит длиннофокусный объектив с малым полем зрения, установленный в плоскости его изображения приемник изображения, жестко закрепленный на корпусе длиннофокусного объектива широкоугольный (около одного градуса), короткофокусный искатель с приемником отражения, прецизионную (единицу угловых секунд) систему наведения. Система наведения представляет собой чрезвычайно сложный и громоздкий механизм.

Телескоп устанавливают на массивном виброзащищенном фундаменте в специализированном помещении.

Такой телескоп не может быть использован для решения вышеназванных задач, поскольку он стационарен, громоздок и дорогостоящ.

Технической задачей изобретения является упрощение конструкции и ее удешевление.

Предложенная система наблюдения удаленных объектов позволяет распознавать удаленные до 10 км, малые до 0,2 м объекты в широком поле зрения. Она достаточно компактна, легко транспортируется и может быть использована для решения задач по наблюдению мелких объектов с высоким разрешением в наземных условиях с неподвижных и подвижных носителей.

Технический результат достигается благодаря тому, что система наблюдения удаленных объектов, включающая высокоразрешающий длиннофокусный объектив, размещенный в фокальной плоскости объектива по крайней мере одни приемник изображения, широкоугольный короткофокусный искатель с приемником и механизм перемещения длиннофокусного объектива и искателя, дополнительно содержит блок согласования местоположения изображения объекта в поле зрения искателя и местоположения приемника изображения в поле зрения длиннофокусного объектива, длиннофокусный объектив дополнительно снабжен дальномером, приемник изображения установлен с возможностью перемещения, в пределах поля зрения длиннофокусного объектива и вдоль его оптической оси, искатель установлен с возможностью наклона его оптической оси относительно оптической оси длиннофокусного объектива на параллактический угол, при этом длиннофокусный объектив выполнен широкоугольным, а углы поля зрения искателя и длиннофокусного объектива равны.

Если в качестве приемника изображения выбран глаз, то он снабжен окуляром и размещенной между окуляром и длиннофокусным объективом оборачивающей системой.

Технический результат достигается также тем, что приемник изображения выполнен в виде телевизионного приемника.

Изобретение поясняется чертежом, где представлена принципиальная схема системы для наблюдения удаленных объектов, содержащей длиннофокусный объектив 1, приемник изображения 2, механизм перемещения длиннофокусного объектива и искателя, широкоугольный искатель 4, дальномер 5, блок 6 согласования, видеоконтрольное устройство 7, управляющая ЭВМ 8, механизм перемещения приемника изображения 9; O₁-O₁ оптическая ось длиннофокусного объектива, O₂-О₂ оптическая ось искателя, α параллактический угол, A объект наблюдения.

Система работает следующим образом.

Первоначально оптические оси O₁-O₁ и O₂O₂ выставляют параллельно друг другу. Длиннофокусный объектив 1 с помощью широкоугольного искателя 4 и непрецизионного механизма 3 перемещения наводят в зону наблюдения объекта А. Дальномером 5 измеряют дистанцию до объекта наблюдения. В зависимости от дистанции вычисляют и устанавливают параллактический угол a между оптическими осями искателя и длиннофокусного объектива, а также вычисляют величину подвижки приемника изображения 2 вдоль оптической оси длиннофокусного объектива. Затем определяют координаты объекта в поле зрения искателя и передают их через блок согласования 6 механизму 9 перемещения приемника изображения.

Благодаря тому, что приемник установлен с возможностью перемещения в поле зрения и вдоль оптической оси, его устанавливают в ту же угловую координату, которую определили с помощью искателя. С другой стороны, благодаря тому, что в системе приемник изображения выполнен подвижным в поле зрения объектива, появилась возможность выбрать и применить длиннофокусный объектив с таким же широким полем зрения, как и поле зрения искателя.

В результате стало возможным без прецизионной системы наведения детально рассматривать объект с одинаковым разрешением в широком поле зрения. Выполнение приемника подвижным, а объектива широкоугольным позволило наблюдать не только традиционно одни объект, но, установив некоторое количество приемников в разных плоскостях изображения длиннофокусного объектива, наблюдать с высоким качеством одновременно несколько объектов, находящихся на разных дистанциях от системы.

Если в качестве приемника используется оптическая система глаз, то в качестве устройства согласования может применяться координатная система [5] а в качестве устройства перемещения окуляра с оборачивающей системой каретка, которая двигается по взаимно перпендикулярным прецизионным направляющим с отсчетом величины перемещения по обеим координатам [3] Оборачивающая система может быть как линзой, так и призменной.

При решении сложных задач, с использованием современных технических разработок приемники изображения выполняют телевизионными, где в качестве координатного устройства может быть применена ПЗС-матрица (4). Устройство согласования в данном случае может быть электрическим, оптическим, механическим, а также работающим в автоматическом режиме с использованием управляющей ЭВМ. В качестве дальномера используется, например, лазерный дальномер.

Был поставлен эксперимент по наблюдению удаленного объекта в условиях вечерних сумерек и облачной погоды. Объект (человек) размещался на расстоянии 5 км от системы наблюдения, имеющей следующие параметры: фокусное расстояние длиннофокусного объектива 3000 мм, угловое поле зрения 8^o (линейное 420 мм), относительное отверстие 1:8. Приемником изображения служила телевизионная камера с ПЗС-матрицей и усилителем яркости изображения ФППЗ-16М. В качестве искателя был использован монокуляр МП-2 8х30 М с полем зрения 8^o, связанный с корпусом длиннофокусного объектива. Угловые координаты наблюдаемого объекта, определяемые по сетке монокуляра, воспроизводились в поле зрения длиннофокусного объектива. Наилучшая резкость изображения, наблюдаемого на экране монитора, достигалась путем плавного перемещения приемника вдоль оптической оси. В результате на мониторе наблюдали отчетливо такие детали одежды, как погоны и карманы.

Оценка точности работы системы наблюдения удаленных объектов может быть приведена на следующем реальном примере.

Если применять в качестве широкоугольного длиннофокусного объектива [1] фотографический объектив с фокусным расстоянием 3000 мм, полем зрения 8^o (линейное поле зрения 420 мм), относительным отверстием 1:8 и практически безаберрационным качеством изображения по всему полю зрения, а в качестве фотоприемника принять ПЗС-матрица с числом элементов 752х582 (размер матрицы 6,5х4,9 мм), то, произведя расчеты согласно [2] получим, что максимальная дистанция, на которой может быть идентифицирована фигура человека, составит около 4,5 км, а максимальная дистанция, на которой обнаруживается фигура человека, будет около 20 км.

Приведенные расчеты выполнены без учета естественных температурных, турбулентных и вибрационных помех, которые могут существенно снизить рассчитанные дистанции, если не принять меры защиты.

Таким образом, система наблюдения удаленных объектов, благодаря устранению жесткой связи длиннофокусного объектива с приемником изображения позволила без механизмов прецизионного наведения наблюдать и рассматривать детально удаленные объекты. Использование подвижного приемника сделало возможным получение нового качества системы за счет использования в длиннофокусном объективе широкого поля зрения. С другой стороны, выполнение приемника подвижным и использование объектива с широким полем зрения сделало возможным получить еще одно новое качество рассматривать одновременно несколько объектов, находящихся в поле зрения системы на различных от нее расстояниях.

Созданная универсальная наблюдательная система дает уникальные возможности постоянного и периодического наблюдения за объективами на больших дистанциях, что может быть применимо с успехом в экологическом мониторинге, в системах охраны больших земных и водных территорий в зонах природных и промышленных катастроф, в том числе в зонах повышенной радиационной и химической опасности.

Для создания наблюдательной системы могут быть использованы отработавшие ресурс в полете объективы спутников, что подтверждено испытаниями, а это обеспечивает второе эффективное гражданское применение в наземных условиях отечественной военнокосмической оптики.

Использованная литнратура.

1. Волосов Д.С. Фотографическая оптика. М. Искусство, 1971, с.671.

2. Проектирование оптических систем. Под ред.Р.Шеннона, Дж.Вайанта. Перевод с англ. М. Мир, 1983, с.431.

3. Ильин Р.С. Федотов Г.И. Федин Л.А. Лабораторные оптические приборы. М. Машиностроение, 1966, с.496.

4. Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядкой связью. М. Радио и связь, 1991. с.264.

5. Кучко А. С. Аэрофотография. Основы и метрология. М. Недра, 1974, с. 271.

Использование: в области оптического приборостроения и применяется для распознования удаленных объектов в условиях нормальной и пониженной освещенности. Сущность изобретения: система наблюдения удаленных объектов, включающая высокоразрушающий длиннофокусный объектив 1, размещенный в фокальной плоскости объектива по крайней мере один приемник изображения 2, например, телевизионный, широкоугольный короткофокусный искатель 4 с приемником изображения и механизм перемещения длиннофокусного объектива и искателя 3 содержит блок согласования местоположения изображения объекта в поле зрения искателя и местоположения приемника изображения в поле зрения длиннофокусного объектива 6, длиннофокусный объектив дополнительно снабжен дальномером, приемник изображения 2 установлен с возможностью перемещения в пределах поля зрения длиннофокусного объектива 1 и вдоль его оптической оси, искатель 4 установлен с возможностью наклона его оптической оси относительно оптической оси длиннофокусного объектива 1 на параллактический угол, при этом длиннофокусный объектив 1 выполнен широкоугольным, а углы поля зрения искателя 4 и длиннофокусного объектива 1 равны. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система наблюдения удаленных объектов, содержащая высокоразрешающий длиннофокусный объектив, размещенный в фокальной плоскости объектива по крайней мере один приемник изображения, широкоугольный короткофокусный искатель с приемником изображения и механизм поворота длиннофокусного объектива и искателя, отличающаяся тем, что в нее введен блок согласования местоположения изображения объекта в поле зрения искателя и местоположения приемника изображения в поле зрения длиннофокусного объектива, соединенный с приемником изображения, диннофокусный объектив дополнительно снабжен дальномером, причем приемник изображения установлен с возможностью перемещения в пределах поля зрения длиннофокусного объектива и вдоль его оптической оси, искатель установлен с возможностью установки его оптической оси под углом к оптической оси объектива, равным параллактическому углу, длиннофокусный объектив выполнен широкоугольным, а углы поля зрения искателя и длиннофокусного объектива равны. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена окуляром и оборачивающей системой, причем окуляр оптически сопряжен с глазом наблюдателя, а оборачивающая система размещена между окуляром и длиннофокусным объективом. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что приемник изображения выполнен в виде телевизионного приемника.